基于粗糙集的盾构隧道结构稳定性评价

王仁敏

摘要：粗糙集是一种可以对多指标数据在不依靠先验知识下进行客观分析的方法。本文通过对粗糙集方法对南京长江隧道健康监测系统得到的数据进行约简删除冗余数据、计算重要度及指标权重，评价隧道结构健康。分析结果表明：不同管片的指标集约简后均为a1、a6、a11，表明在监测指标中温度、土压力、内侧环向钢筋应变为重要的不可约简的指标，重要度 a6>a1>a11，温度影响监测数据及结构变形，土压力为隧道承受的主要应力。隧道健康评价值主要集中在1.5，变化较小，表明隧道处于稳定状态，与实际情况相符，U4，U5出现小幅度变动原因为数据采集于长江水位较高的7～9月。

Abstract： Rough set is a kind of method thatcan do objective analysis of multi-index data without prior knowledge. In thispaper， the data of Nanjing Yangtze River Tunnel health monitoring system arereduced by using rough set method to delete redundant data， and the importancedegree and weight of index are calculated to evaluate the health of tunnelstructure. The results show that the reduction of the indexes of differentsegments is a1， a6， a11， which shows that the temperature， earth pressure andthe inner hoop reinforcement strain are important non-reducible indexes in themonitoring indexes， the importance degree a6>a1>A11. Temperatureaffects the monitoring data and structural deformation， and earth pressure isthe main stress of the tunnel. The tunnel health assessment values are mainlyconcentrated at 1.5， with little change， indicating that the tunnel is in astable state， in line with the actual situation. U4， U5 show small changes becausethe data is collected in July to September， when the Yangtze River water levelis high.

關键词：粗糙集；盾构隧道；健康监测；属性权重

Key words： rough set；shield tunnel；health monitoring；attribute weight

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）06-0058-03

0 引言

随着经济建设和城市现代化建设的快速发展，对交通工程提出了更高的要求，在交通设施的建设中地下交通设施以其明显的优越性在规模和数量上都得到了迅猛的发展。随着隧道的运营，由于地质条件的恶化，结构损伤、退化和失稳等因素，严重威胁着隧道的安全运营。为了保证隧道的安全建设及运营，建设完善的健康监测系统对隧道进行健康监测、评价和预测已成为隧道工程发展的迫切要求。

盾构隧道结构健康受到众多因素的影响，在健康监测过程中常出现多层次多指标，定性信息与定量信息共存等问题，为了克服健康评价的随意性和不确定性，人们从数学建模和总结分析方面做出研究，并且获得了较大进展。粗糙集理论是一种能够分析处理不精确、不一致、不完整信息与知识的数学工具，其显著优势在于它无需提供问题所需处理的数据集合之外的任何先验信息，充分体现了数据的客观性。本文将粗糙集理论引入到盾构隧道稳定性评价中，通过对数据约简删除冗余信息，计算属性重要度，在属性重要度的基础上得出属性指标权重，最后基于指标权重建立评级模型。

1 粗糙集理论

粗糙集是波兰理工大学Z.pawlak教授提出用来研究不完整数据，不精确知识的表达、学习，归纳等的一套理论[1]。

2 基于粗糙集的评价方法

基于粗糙集的评价步骤依次为指标数据离散、指标筛选、指标权重计算、评价综合值的计算。

2.1 指标数据离散化

因为粗糙集理论是建立在集合论之上的，所以粗糙集理论只能处理离散型的数据，但是在实际应用中，有的数据是连续型的，这时我们首先必须将连续型的数据离散化。离散化的任务就是将连续属性的取值范围或取值区间划分为若干个数目不太多的小区间，其中每个区间对应一个离散符号。我们通常使用的离散化方法有等距离散化法、等频区间离散法、串分析离散法、基于属性重要性的离散法基于数据分布特征的离散法等。

2.2 指标集约简

在选取指标数据时，为了全面的反映评价问题的整体性，我们往往会尽可能多的选取数据，但在这些信息中往往会存在冗余信息，冗余信息的存在增加了问题的复杂性和评价难度，还会影响评价结果的准确性。这时我们可以对数据进行约简。根据粗糙集理论的属性约简原理可以剔除评价指标中的冗余信息[3]。

由评价结果可以看出管片健康程度在数据提取时段区间，随时间变化而变化，但变化不大，总体上健康程度保持稳定，这种结果与南京长江隧道处于稳定运营状态相符合。评价值U4，U5出现变动，U4的数据来自于8月初，U5数据采集于9月末，均处于长江中下游水位较高的季节，推断认为大的水位变化导致隧道稳定状态出现变动，随之监测数据发生了不化，计算结果出现变化。

3.3 评价分析与讨论

把上述方法分别应用于JK6（左线LK6+332）的L1管片、JK1（右线RK4+425）的B1管片的健康监测数据后，得出的不可约简的重要指标依舊为内侧环向钢筋应力、温度及土压力，说明计算中属性约简计算是合理的。

对三组不同信息系统分别计算得到的指标权重如表5。

从权重结果上来看，总体上是一致的，a6的权重大于a1的权重，a1大于a11。

在监测指标中，温度指标占有的权重比较大，因为盾构隧道所处环境的温度对监测数据和结构健康都有很重要的意义：第一，某些监测过程以及传感器本身的测量精度会受到周围气温的影响；第二，隧道结构体温度的影响结构变形、内力变化等[5]。所以温度指标的变动对健康监测数据有比较大的影响，体现在权重分配上是就出现了权重较大的情况。

土压力在约简过程中不能被约简，说明它对隧道的健康影响程度比较大。从地质学的角度来考虑，隧道开挖产生的附加应力会对周围土体产生扰动，具体表现为土体的加载和卸载、松动和挤压、孔隙水压力的上升与下降产生的土体变异、地表隆沉等。盾构隧道埋藏在土体中，所受的外荷载都来自土水压力，所以它对盾构隧道的稳定性有重要意义。

4 结论

①基于粗糙集理论的分析方法是可行的。通过工程实例分析，评价结果的对比、地质方面的解释，指标权重计算和隧道健康评价是合理的，南京长江隧道是健康的。

②隧道温度、土压力、环向钢筋应变对隧道健康监测分析具有重要意义。三个断面的约简结果具有一致性，均为a1（内侧环向钢筋应变）、a6（温度）和a11（土压力），且权重结果均为a6>a1>a11。

③健康评价值集中于1.5，7月至9月的U4，U5评价值出现波动，推断为7～9月为长江洪水期。

参考文献：

[1]Pawlak Z. Rough set[J]. International Journal of Computer and Information Sciences，1982.

[2]张云龙，华勇.基于粗糙集理论的软件质量评价方法[A].2011高等职业教育电子信息类专业学术暨教学研讨会论文集[C].2011.

[3]曹秀英，梁静国.基于粗集理论的属性权重确定方法[J].中国管理科学，2002（05）.

[4]南京长江隧道结构健康监测[Z].Nanjing Tunnel and Bridge Administration Company Ltd. 2009（10）.

[5]雷长征，张巍，丁蓬莱.越江公路盾构隧道浅埋段地温场演化趋势模拟分析[J].防灾减灾工程学报，2015（6）.